Rubrica: Tecnologie utili ai mezzi elettrici ed ibridi, ma non solo…
Titolo o argomento: Accumulo e utilizzo rapido di energia mediante ultracapacitore
Un ultracapacitore (o ultracondensatore o supercondensatore) è una sorta di batteria in grado di accumulare grandi quantità di energia, essere ricaricata centinaia di migliaia di volte e, cosa più importante, essere ricaricata in tempi decisamente brevi. La tecnologia oggi è arrivata al punto di offrire ultracapacitori in grado di ricaricarsi completamente in tempi che vanno da 1 a 30 secondi. Ci sono delle pecche? Come è naturale che possa essere sì: il peso e, per qualche tempo ancora, i costi. L’efficienza è attestata intorno a valori del 90-95% e sono previsti 500.000 cicli di ricarica senza problemi. Tecnicamente un ultracapacitore è un dispositivo a cavallo tra le tradizionali batterie ricaricabili ed un condensatore elettrolitico. Vanta elevata potenza, energia e affidabilità a lungo termine. Un ultracapacitore è composto da due elettrodi immersi in un elettrolita. La separazione avviene per mezzo di un dielettrico poroso che previene il cortocircuito degli elettrodi. Un ultracapacitore immagazzina energia sotto forma di cariche elettrostatiche. Queste si dispongono in versanti opposti a seconda della carica che si forma tra la superficie degli elettrodi e l’elettrolita.
Simili dispositivi sono stati scartati ad esempio nel progetto della Porsche 911 Hybrid perchè, nonostante la buona autonomia fornita ai motori elettrici nonché la possibilità di ricarica rapida ad ogni frenata, il peso non rendeva complessivamente vantaggioso il meccanismo messo a punto da Porsche. Ragione per cui si è optato per un accumulatore di energia cinetica a volano.
Gli ultracapacitori più commercializzati sono costituiti da due elettrodi (solitamente a base di carbone attivo) e da un elettrolita, tale versione prende il nome di EDLC ovvero Electrochemical Double Layer Capacitor e funziona sostanzialmente come un normale condensatore accumulando energia elettrica e trasferendo cariche elettriche (positive e negative) sui due elettrodi separati da un isolante (in questo caso elettrochimico). Nell’ultracapacitore la carica elettrica si accumula all’interfaccia tra un conduttore (l’elettrodo) ed un elettrolita liquido, generando quindi un doppio strato di cariche dove ad ogni elettrodo equivale un condensatore a facce piane. L’aumento delle caratteristiche ottenuto dagli ultracapacitori, rispetto ai normali condensatori, è sostanzialmente dovuto all’utilizzo di materiali innovativi ad alta superficie microscopica ed allo spessore equivalente del dielettrico, pari alla distanza tra le cariche elettriche (spessore del doppio strato) e non a quella tra gli elettrodi. Possiamo effettuare interessanti distinzioni tra le configurazioni degli ultracapacitori (o supercondensatori), di seguito ne troviamo un breve elenco.
Pseudo-condensatori: alla carica elettrostatica aggiungono quella elettrochimica associata a 2 particolari reazioni elettrodiche.
Ultracapacitori simmetrici: hanno i due elettrodi uguali.
Ultracapacitori asimmetrici: hanno i due elettrodi dello stesso materiale ma di composizione diversa.
Ultracapacitori ibridi: hanno i due elettrodi di materiale diverso.
Ultracapacitori asimmetrici ibridi: ad un elettrodo di supercondensatore viene abbinato un elettrodo di una batteria.
Si possono poi effettuare distinzioni basate sull’elettrolita utilizzato, esso infatti può essere di tipo “acquoso” o di tipo “organico” (o non acquoso). Il primo tipo utilizza acido solforico diluito ed è caratterizzato da una tensione di lavoro di circa 0,7-0,9 V mentre il secondo tipo (più recente) raggiunge una tensione di cella superiore ai 2,3 V. Grazie a queste soluzioni si è potuto superare il limite di 5 Wh/kg di energia specifica e 4-5 kW/kg di potenza specifica con una stabilità e durata di vita ben maggiore di 500.000 cicli completi di carica e scarica.
L’energia accumulata vale:
E = 1/2 CV2 dove C è la capacità del condensatore espressa in Farad e V è la tensione nominale in Volt.
La potenza di picco invece vale:
P = V2/(4R) dove V è la tensione nominale espressa in Volt ed R è la resistenza equivalente serie in Ohm.
Gli ultracapacitori sono prevalentemente destinati all’uso industriale (backup, unità di potenza ausiliaria, compensazione della potenza istantanea, compensazione potenza di picco), alle energie rinnovabili (stoccaggio energia ricavata in eccesso dai pannelli fotovoltaici), alle piccole utilità elettroniche (cellulari, computer portatili…) ed ai trasporti (vetture elettriche, vetture ibride, moto e biciclette elettriche, trasporti pesanti). Insomma possiamo definire un ultracapacitore un dispositivo affatto complesso che sfrutta un fenomeno puramente fisico di un processo reversibile di accumulo elettrostatico, anziché una reazione chimica, con la conseguenza che si ottengono i vantaggi e gli svantaggi sopra citati.
Un simile dispositivo è l’ideale per immagazzinare rapidamente l’energia fornita ad ogni frenata da un veicolo ibrido.
